II. L'IMPACT CARBONE DU SECTEUR AÉRIEN
A. LE FONCTIONNEMENT DES AVIONS
1. Aérodynamique d'un avion
Un avion à l'équilibre est soumis à quatre forces : son poids, la poussée des moteurs et la résultante des efforts aérodynamiques, que l'on décompose en une force verticale opposée au poids, la portance, et une force horizontale opposée à la poussée des moteurs, la traînée.
Représentation schématique des 4 forces principales sur un avion
Source : Référentiel Supaéro
L'enjeu principal de la conception d'un avion consiste à maximiser la portance pour pouvoir transporter une plus grande masse, et minimiser la traînée pour réduire la consommation de carburant.
Les avionneurs ont l'habitude de décomposer la traînée en deux postes prédominants : la traînée de frottement, due au frottement de l'air sur les surfaces de l'avion, et la traînée induite, générée par la portance locale qui n'est pas strictement verticale en bout d'aile.
La traînée induite est liée au mouvement vertical descendant induit par le contournement de l'air en bout d'aile. La force de portance locale Leff n'est pas perpendiculaire à la direction de la vitesse de vol et sa projection selon cette direction donne une contribution appelée traînée induite Di.
Source : Référentiel Supaéro
2. Propulsion de l'avion
Les avions commerciaux fonctionnent avec deux types de moteurs : les turbopropulseurs et les turboréacteurs.
Turboréacteur (à gauche) et turbopropulseur (à droite)
Source : Référentiel Supaéro
Les turbopropulseurs combinent les éléments d'une turbine à gaz avec une hélice. L'air entrant est comprimé par un compresseur et mélangé à du carburant dans une chambre de combustion, où le mélange est ensuite enflammé. Les gaz chauds produits passent à travers une turbine, la faisant tourner ainsi que le compresseur et l'hélice connectés à la turbine via un arbre. L'hélice, en tournant, crée l'essentiel de la poussée nécessaire pour propulser l'avion.
Les turbopropulseurs sont bien adaptés à des vitesses basses et à des vols de courte à moyenne distance, en raison d'une meilleure performance dans la conversion du carburant en poussée, surtout à des altitudes basses. Par ailleurs, leurs coûts d'exploitation sont relativement bas, ce qui les rend attrayants pour les opérations aériennes régionales et de fret.
Les turbopropulseurs ne permettent pas d'atteindre des vitesses très élevées. En effet, la vitesse d'écoulement en bout de pale des hélices ne doit pas dépasser la vitesse du son car cela altèrerait l'aérodynamique de l'hélice donc sa performance. Néanmoins, l'avion de ligne doté de turbopropulseurs le plus rapide à ce jour, le Tupolev Tu-114, pouvait atteindre une vitesse de pointe de 870 km/h (Mach 0,88), proche de celle des avions de ligne modernes. Enfin, l'hélice génère beaucoup de bruit, ce qui peut être gênant pour le confort des passagers.
Les turbopropulseurs ont une puissance réduite : les plus puissants délivrent au maximum 10 mégawatts. De ce fait, ils sont en général utilisés sur des avions de ligne de taille limitée, par exemple l'ATR-72.
Les turboréacteurs aspirent l'air à l'avant du moteur, où il est comprimé par un ou plusieurs compresseurs. L'air comprimé entre dans la chambre de combustion, où il est mélangé avec du carburant et enflammé. Les gaz chauds ainsi produits passent à travers la turbine, la faisant tourner ainsi que le compresseur. Les gaz s'échappent ensuite à grande vitesse à travers la tuyère à l'arrière du moteur, créant la poussée qui propulse l'avion vers l'avant.
Les moteurs des avions de ligne actuels utilisent des turboréacteurs double flux : un flux secondaire s'ajoute au flux primaire et passe dans la tuyère d'éjection en contournant la chambre de combustion, générant une poussée additionnelle à celle du flux primaire. Le taux de dilution désigne le rapport des débits de masse entre le flux secondaire et le flux primaire.
Les turboréacteurs permettent d'atteindre des vitesses élevées, ce qui les rend optimaux pour les vols long-courriers et les avions de chasse. Ils sont efficaces à haute altitude, où l'air est moins dense, ce qui permet de voler indépendamment des conditions météorologiques et de réduire la traînée.
Les turboréacteurs sont moins efficaces à basse vitesse et à basse altitude, ce qui se traduit par une consommation de carburant plus élevée dans ces conditions de vol. En outre, les coûts de maintenance et d'exploitation peuvent être plus élevés que pour les turbopropulseurs, en particulier pour les opérations de courte distance.
Le rendement thermopropulsif ou global mesure la performance des moteurs : il désigne le rapport entre l'énergie utile de propulsion de l'aéronef et l'énergie fournie lors de la combustion du kérosène. Le rendement global des turboréacteurs double flux est de 25 %. Les turbopropulseurs ont un meilleur rendement, mais une vitesse et une altitude limitées.
3. Systèmes de l'avion
En plus de propulser l'avion, les moteurs alimentent ses différents systèmes de sécurité, de navigation et de communication. Entre 5 et 10 % de la consommation totale de carburant y sont consacrés. Suivant les applications, cette énergie est transformée en puissance électrique, pour les commandes de vol et les systèmes de cabine, puissance hydraulique, pour les commandes de vol et les atterrisseurs, ainsi que puissance pneumatique, pour la protection contre le givre et le conditionnement d'air.
Le carburant alimente également le groupe auxiliaire de puissance (en anglais Auxiliary Power Unit ou APU). Il s'agit en général d'un turbomoteur à démarrage électrique, d'une puissance pouvant atteindre plusieurs centaines de kilowatts, qui consomme du kérosène pour alimenter les systèmes de bord : conditionnement d'air, tension électrique, pression hydraulique, etc., quand les moteurs sont à l'arrêt, ce qui permet d'économiser le carburant.
L'APU permet de faire démarrer les moteurs. En effet, si en régime de croisière ils s'autoalimentent car la turbine à gaz permet de faire fonctionner les compresseurs, il faut de l'énergie pour les démarrer et initier ce cycle. Hormis certains avions d'affaires, presque tous les avions disposent d'un groupe auxiliaire de puissance.
Les différentes phases d'un vol commercial
Source : Le monde de l'aviation civile, ENAC